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1、第十一届中国青少年机器人竞赛FLL机器人挑战赛主题与规则1 FLL机器人挑战赛简介FLL机器人挑战赛是一项青少年国际机器人比赛项目，其对象为中小学生。要求参加比赛的代表队自行设计、制作机器人并进行编程。参赛的机器人可在特定的竞赛场地上，按照一定的规则进行比赛。在中国青少年机器人竞赛中设置FLL机器人挑战赛的目的是激发我国青少年对机器人技术的兴趣，为国际FLL机器人挑战赛选拔参赛队。2 竞赛主题本届FLL挑战赛的主题为“关注健康”。生物医学工程是有助于医、患双方的各种工程学科的应用。化学、机械、电气及其它工程，甚至艺术，与传统生物与医学科学融合起来促进了卫生事业的发展。我们早就知道，心脏有问题的
2、人可以装上起搏器，维持心脏的正常跳动；动脉壁沉积了脂肪变得狭窄后，可以插入支架扩张动脉；断裂的骨胳可以打上钢钉，引入骨胳生长细胞，使断裂的骨胳复合，这些都生物医学工程的成果。随着科学技术的发展，生物医学工程会创造出更多神奇的东西，来替换人体上缺失或损坏了的“部件”。你能想象生物医学工程在未来会怎样改变人类吗？让我们来当一回生物医学工程师，对人类的健康给予更多的关注吧！3 比赛场地与环境3.1 场地图1是比赛场地的透视图。3.2 赛台3.2.1 赛台是进行机器人比赛的地方。3.2.2 单个赛台的内部尺寸长为1143mm、宽2362mm，四周装有边框，高为100mm，如图2所示。边框内侧为黑色，所
3、有外侧和内侧边框均采用防火板。3.3.3 场地底板上铺有亚光场地膜，底色为白色。场地膜上画有基地，比赛用的部分模型则布置在场地膜上。3.2.4 比赛时两张赛台背靠背放在一起，如图2所示。两支参赛队各占一张赛台。参赛队员面向赛台时，赛台左西右东。3.2.5 场地上物品较多，比赛期间，参赛队和裁判员要共同维护好场地的秩序。参赛队可以把基地内当前不动或机器人不用的物品放到基地外，只要这个动作不具有任何策略性。物品也可由赛台旁两名队员之一拿在手里或在盒子里。如因其它原因而非机器人的动作使模型断裂、失效、移动或被激活，如果可能，裁判员应尽快将它恢复。3.3 基地场地膜的西南角有一块基地。基地是垂直向上延
4、伸的基地区周边（包括边框的内表面）和一个40cm高的虚拟天花板组成的盒子，如图3所示。基地是一个空间而不是平面。基地是机器人准备、启动和必要时维修的地方。3.4 任务模型3.4.1 臂骨及石膏模 两段白色断开的臂骨放在场地膜的指定位置上。放在基地内的一块蓝色的石膏模用来扣住断骨。图4 断开的臂骨及石膏模3.4.2 腿骨、骨桥、小球及球门一个白色模型表示腿骨，其中大的一段固定在场地南边，小的一段与它对齐，有1.5mm间隙，如图5所示。放在基地内的骨桥可以插入腿骨右上方，表示“接骨”。腿骨一端有“脚”，接骨后，转动腿骨时，“脚”可将放在黑色圆环上的蓝色小球踢出。稍远处，有一个用白色小条三面围住的绿
5、色区域，就是球门。 图5 腿骨、骨桥、小球及球门 图6 注射器、白血球及红血球3.4.3 注射器、白血球及红血球注射器放在场地西北角的一个斜面上，针头向北，上面排列着5个红色小片表示的红血球和3个白色圆形小片表示的白血球（白1，红1，白1，红2，白1，红2），如图6所示。比赛开始前还有3个红血球放在基地内。3.4.4 坏死的细胞五个可转动的黑白两面的小片装在一个架子上，如图7所示，转动小片时有“咔哒”声。黑色一面表示坏死的细胞。图7 坏死的细胞3.4.5 机械手与专利场地北边中央，两个赛台共用一个灰色的专利台，上面放着一个表示专利的黑色平板，如图8所示。在两队的场地膜上均固定着一个可抓住专利的
6、机械手。图8 机械手与专利3.4.6 心脏补钉心脏补钉用一个黑色的方片表示，比赛开始前放在基地内，需要用机器人把它放到场地北面机械手西侧表示心脏的模型中去，如图9所示。图9 心脏与补钉3.4.7 起搏器起搏器是一个灰色的模型，一侧有黑色细管，比赛开始前放在基地内，需要用机器人把它移到心脏模型，如图10所示。 图10 起搏器3.4.8 大脑和神经表示大脑的灰色模型固定在场地东面的病区中。其西侧有一根红色的输入“神经”，东侧有三根红色的输出“神经”。输入、输出神经之间有一定的联动关系。南侧的黑色输入神经会使北侧白色的输出神经动作。图11 大脑和神经3.4.9 门表示被控制对象的门的模型固定在大脑模
7、型的北面，与大脑有白色神经联系，如图12所示。在白色神经的激励下，门可以打开。图12 大脑和被控制的门3.4.10 配药器和容器图13 配药器和容器配药器固定在机械手东面，装药的容器放在它的旁边，如图13所示。配药器平台上有蓝、白、粉三排药片，每排三片。药片排列得不一定很整齐，但蓝、白、红的次序要正确。推配药器右侧的小杆，可将药片推入左侧的容器。3.4.11 举重机械手一个蓝色的机械手模型固定在配药器和门之间。推动蓝色立板，机械手就可以将重物举起。图14 可以举起重物的机械手3.4.12 医生、生物医学工程师和患者比赛开始时代表医生的白色小人放在注射器和动脉模型之间，坐姿，面向南。代表生物医学
8、工程师的小人放在基地内。代表患者的小人放在大脑模型西侧的神经元图形中，坐姿，面向西。图15 医生、生物医学工程师和患者3.4.13 仿生眼放在基地内的仿生眼如果被移动到场地中央的人形的上半身，如图16所示，就代表医生就病人做了人造眼的手术。比赛开始前，基地中有两个仿生眼。图16 仿生眼和场地膜中央的人形3.4.14 动脉与支架红色的动脉模型水平固定在场地西北的医生与心脏之间，模型中部稍窄，表示动脉变窄了。机器人将放在基地内的灰色“支架”插进动脉，就可以将动脉扩张，动脉壁就变得平行了，如图17所示。图17 动脉与支架3.5 赛场环境机器人比赛场地环境为冷光源、低照度、无磁场干扰，但由于一般赛场环
9、境的不确定因素较多，例如，场地膜下面有纹路和不平整；场地膜本身有皱褶；尺寸有误差；边框上有裂缝；光照条件有变化；等等。参赛队在设计机器人时应考虑各种应对措施。4 机器人和器材本节提供设计和构建机器人的原则和使用器材的要求。机器人在比赛中可以完成特定的任务。参赛前，所有机器人必须通过检查。4.1 参赛的机器人必须使用LEGO NXT或RCX控制器以及配件或附属装置。安装方法可以是压装或松配合。脱离机器人的物体不属于机器人的一部分。4.2 竞赛用到的每种器材必须使用原始出厂状态的LEGO元件制作，导线和软管可以剪成需要的长度。4.3 除不允许用发条/回力“马达”外，对非电气LEGO元件的数量及来源
10、没有限制。气动元件是允许的。4.4 所用的电气元件必须为LEGO MINDSTORMS型元件，在一场比赛中参赛队可以使用的电气元件总数受到表1的限制。必须使用西觅亚提供的乐高机器人器材并得到西觅亚公司的认证。表1 单场比赛中参赛队允许使用的电气元件数对RCX用户对NXT用户电气元件最大用量电气元件最大用量RCX1NXT1电机3电机3接触传感器2接触传感器2光电传感器2光电传感器2灯1灯1角度传感器3角度传感器（包含伺服电机内部的角度传感器）3第三个接触或光电传感器1超声传感器1例如，如果你的机器人上有三个电机，就不能再把其它电机带到竞赛区，即使该电机只是用于配重或装饰或放在场外的盒子里。再如，
11、如果你的机器人上有两个电机，但是你有多个附属装置要用电机带动，你必须设计一种方法将第三个电机从一个附属装置取出迅速装到另一装置中。4.5 LEGO导线和转接线可以随意使用。4.6 在准备区可以有备份/替换的电气元件。4.7 不允许将计算机带入比赛区。不能在比赛区内给机器人下载程序，可以在准备区中进行。4.8 无论在何处，不允许使用有遥控功能的物品。4.9 只允许在机器人的不外露位置使用辨别身份的标记。4.10 不允许使用油漆、胶带、胶水、油等。4.11 除了可按LEGO说明书使用LEGO的不干胶标签外，其它标签均不可使用。4.12 注意，在单场比赛中使用多个机器人是违规的，但是，在不同场次的比
12、赛中可使用不同的机器人。4.13 如果机器人违反本规则且无法纠正，裁判长可以决定它如何参赛，但此机器人不能获奖。4.14 可以使用LEGO MINDSTORMS、RoboLab或NXT软件（任何版本）给机器人编程。允许使用由制造商（LEGO和NI公司）提供的补丁、插件和新版本软件。不允许使用工具包（LabVIEW）、基于文本的编程软件或“外部”软件。5 任务说明5.1 机器人要完成的任务有14种，有的任务还可以分解为一些子任务，相应的分值如表2所示。表2 任务说明任务名称涉及的模型任务内容及得分条件分值普通骨胳修复臂骨和石膏模对正臂骨，然后扣上蓝色的石膏模，石膏模要一直向下。25分特种骨胳修复
13、腿骨、骨桥、球和球门把骨桥完全插入腿骨。然后，测试骨胳的修复状况，方法是只动腿用脚把球踢进球门。在任何时候只允许脚、场地膜、黑色圆环与球接触，否则，将把球拿出场外。球必须接触球门中的绿色区域。只要黑色圆环上不再有球，任何人都可以将它拿走。插入骨桥15分，踢进球25分快速血液筛选注射器、白血球与红血球把注射器拿回基地。然后，把白血球与红血球分开。最后，只把三个白血球全部送到病区中（场地东边非橙色区的任何地方）。当注射器的某一部分到达基地后，注射器及其中的血球可以用手处理/分离。红血球是本届比赛的接触惩罚物品，见8.4。回基地25分，到达病区15分，场上的红血球5分/个剔除坏死的细胞坏死的细胞随机
14、地，至少有1个坏死的细胞（黑色平板）面向南方，其它朝北。机器人只要一出基地，裁判员可能随机安排模型，直到机器人第一次使小板发出咔哒声。使所有黑色平板朝上或朝北，表示你已经识别了坏死的细胞。使所有黑色小板只朝北，表示你已经摧毁了坏死的细胞。所有位置必须全部发出咔哒声。识别20分，剔除25分掌握专利机械手、专利台和专利让机械手抓住专利或使专利在一方。如果两边的手都抓住专利，两队均得到这项任务的满分。25分修补心脏心脏补钉和心脏让心脏补钉进入心脏。20分安装起搏器起搏器和心脏把起搏器装到心脏中，使黑管的自由端进入心脏，但起搏器的灰色本体在外面。25分研究神经映射大脑推动大脑的西侧输入神经，看看东侧的哪根神经表现出一个输出信号。一根红色的神经必须由大脑向外明显移动，动多远无所谓。这个动作揭示了神经输入/输出关系。15分目标的思维控制大脑和门只推动大脑南侧的输入神经，使门至少半开。20分自动配药配药器和蓝、白、粉色药片从配药器推出所有蓝、白色药片，但保留粉色药片，还要把装有蓝色和白色药片（至少各一片）的容器送进病区。推出药片25分，送进病区5分机械手举起重物举重机械手只推机械手上的蓝色小板，使重物向上。25分专业协作医生、生物医学工程师和患者把医生和生物医学工程师移动到病区会见患者，
